2018_2019学年高中物理第四章电磁感应第7节涡流、电磁阻尼和电磁驱动学案新人教版.docx

第7节涡流、电磁阻尼和电磁驱动1.知道涡流的产生原因及涡流的防止和应用2.知道电磁阻尼和电磁驱动的原理和应用一、涡流1概念：当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，在附近导体中产生像水中旋涡样的感应电流，所以把这种感应电流叫做涡流2应用：真空冶炼炉、探雷器、机场安检等3防止：将电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器因此，我们要想办法减小涡流途径之一是增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大另一个途径就是用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯二、电磁阻尼和电磁驱动1电磁阻尼：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体运动，这种现象叫电磁阻尼2电磁驱动：磁场相对于导体转动时，导体中产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动3电磁驱动的应用：交流感应电动机 判一判(1)涡流也是一种感应电流()(2)导体中有涡流时，导体本身会产热()(3)利用涡流制成的探雷器无法探出“石雷”()(4)电磁驱动是使用电能转化为动能()提示：(1)(2)(3)(4) 做一做电磁炉是利用涡流加热而达到烹饪食物的目的电磁炉适用的锅类是()A平底陶瓷锅B凹底陶瓷锅C平底不锈钢锅 D凹底不锈钢锅提示：选C.电磁炉是利用高频电流在电磁炉内部线圈中产生磁场，磁化铁质铁锅，从而形成无数个小涡流(即电流)，加速锅底分子运动，使锅底自身发热达到加热食品的目的，必须使用铁质锅具才被磁化形成涡流，C正确 想一想家用电磁炉和微波炉工作原理一样吗？提示：不一样电磁炉利用涡流的热效应工作，而微波炉利用电磁波工作对涡流的理解和应用1涡流的实质(1)涡流仍然是由电磁感应而产生的，它仍然遵循感应电流的产生条件，特殊之处在于涡流产生于块状金属中(2)严格地说，在变化的磁场中的一切导体内都有涡流产生，只是涡流的大小有区别，以致一些微弱的涡流被我们忽视了2可以产生涡流的两种情况(1)把块状金属放在变化的磁场中(2)让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动3涡流中的能量转化涡流现象中，其他形式的能转化成电能，并最终在金属块中转化为内能如果金属块放在变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能(多选)高频焊接原理示意图如图所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝处金属熔化，要使焊接处产生的热量较大可采用的方法是()A增大交变电流的电压B增大交变电流的频率C增大焊接缝的接触电阻 D减小焊接缝的接触电阻思路点拨 (1)如何判断感应电流的大小？(2)电流的热效应与哪些因素有关？解析交变电流频率越高，电压越大，产生的磁场变化越快，在工件中引起的感应电动势越大，感应电流越大，产生的热量越多，故A、B正确；焊接缝接触电阻越大，电压越大，在此处产生的热量越多，越容易熔化焊接，故C正确，D错误答案ABC (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律和楞次定律(2)磁场变化越快，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大(3)导体内部可等效为许多闭合电路(4)导体内部发热的原理是电流的热效应 (2018黑龙江大庆期中)高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的如图所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快、温度易控制，并能避免有害杂质混入被炼金属中，因此适于冶炼特种金属该炉的加热原理是()A利用线圈中电流产生的焦耳热B利用线圈中电流产生的磁场C利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流D给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电解析：选C.高频感应炉的原理是给线圈通以高频交变电流后，线圈产生高频变化的磁场，磁场穿过金属，在金属内产生强涡流，由于涡流的热效应，使金属熔化，选项C正确.对电磁阻尼和电磁驱动的理解和应用电磁阻尼电磁驱动不同点成因由于导体在磁场中运动而产生由于磁场运动而产生效果磁场力的方向与导体或磁体运动方向相反，是阻力磁场力的方向与导体或磁体运动方向相同，是动力能量转化导体克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能电能通过磁场力做功，转化为导体的机械能相同点两者都是电磁感应现象，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动 命题视角1电磁阻尼现象的分析(2018山东滕州五中周测)物理课上，老师做了一个“电磁阻尼”实验：如图所示，弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁，将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来；如果在磁铁下方放一个固定的铝质圆环，使磁极上下振动时穿过它，磁铁就会很快地停下来某同学另找器材再探究此实验他安装好器材，经反复实验后发现：磁铁下方放置圆环，并没有对磁铁的振动产生影响，对比老师演示的实验，其原因可能是() A弹簧的劲度系数太小B磁铁的质量太小C磁铁的磁性太强 D圆环的材料与老师用的不同解析只要能够产生感应电流，都能对磁铁的运动产生阻碍作用，A、B、C错；若圆环的材料为非金属材料，不能产生感应电流，无法对磁铁产生阻碍作用，故选D.答案D 命题视角2对电磁驱动问题的分析(多选)(2018南京高二检测)如图所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO转动从上向下看，当磁铁逆时针转动时，则()A线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同B线圈将逆时针转动，转速比磁铁小C线圈转动时将产生感应电流D线圈转动时感应电流的方向始终是abcda思路点拨 (1)线圈转动方向及感应电流方向的判定需用楞次定律(2)线圈的转速与磁铁的转速的关系解析当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生感应电流，故C正确；当线圈相对磁铁转过90时电流方向不再是abcda，D错误；由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁铁同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度如两者的角速度相同，磁感线与线圈相对静止，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，故A错误，B正确答案BC (1)电磁阻尼是感应电流受到的安培力对导体做负功，阻碍导体运动，而电磁驱动是感应电流受到的安培力对导体做正功，推动导体运动(2)在电磁驱动中，主动部分与被动部分的运动(或转动)方向一致，被动部分的速度(或角速度)较小(3)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，在这两种现象中可以运用楞次定律分析导体的受力情况，运用力学知识和能量守恒定律分析导体的运动情况和能量转化情况 【通关练习】1.如图所示，上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置，小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部，则小磁块()A在P和Q中都做自由落体运动B在两个下落过程中的机械能都守恒C在P中的下落时间比在Q中的长D落至底部时在P中的速度比在Q中的大解析：选C.小磁块在铜管中下落，产生电磁感应现象，根据楞次定律的推论阻碍相对运动可知，小磁块下落过程中受到向上的电磁阻力，而在塑料管中下落，没有电磁感应现象，小磁块做自由落体运动，故C正确2.(多选)(高考全国卷)1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图所示实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后下列说法正确的是()A圆盘上产生了感应电动势B圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动C在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化D圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动解析：选AB.当圆盘转动时，圆盘的半径切割磁针产生的磁场的磁感线，产生感应电动势，选项A正确；如图所示，铜圆盘上存在许多小的闭合回路，当圆盘转动时，穿过小的闭合回路的磁通量发生变化，回路中产生感应电流，根据楞次定律，感应电流阻碍其相对运动，但抗拒不了相对运动，故磁针会随圆盘一起转动，但略有滞后，选项B正确随堂检测1.如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以自由绕OO轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接触，当磁铁绕轴转动时，铜盘将()A以相同的转速与磁铁同向转动B以较小的转速与磁铁同向转动C以相同的转速与磁铁反向转动D静止不动解析：选B.因磁铁的转动，引起铜盘中磁通量发生变化而产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用是阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，线圈中能产生电流的条件必须是磁通量发生变化，故铜盘转动方向与磁铁相同而转速小，所以正确选项是B.2.(2018重庆第二外国语学校月考)如图所示，一金属铜球用绝缘细线挂于O点，将铜球拉离平衡位置并释放，铜球摆动过程中经过有界的水平匀强磁场区域，若不计空气阻力，则()A铜球向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度B在进入和离开磁场时，铜球中均有涡流产生C铜球进入磁场后离最低点越近速度越大，涡流也越大D铜球最终将静止在竖直方向的最低点解析：选B.铜球向右进入和穿出磁场时，会产生涡流，铜球中将产生焦耳热，根据能量守恒知铜球的机械能将转化为电能，所以回不到原来的高度了，故A错误；当铜球进入或离开磁场区域时磁通量发生变化，均会产生涡流，故B正确；整个铜球进入磁场后，磁通量不发生变化，不产生涡流，即涡流为零，机械能守恒离平衡位置越近速度越大，故C错误；在铜球不断经过磁场，机械能不断损耗过程中圆环越摆越低，最后整个圆环只会在磁场区域来回摆动，因为在此区域内没有磁通量的变化(一直是最大值)，所以机械能守恒，即铜球最后的运动状态为在磁场区域来回摆动，而不是静止在最低点，故D错误3.弹簧上端固定，下端挂一只条形磁铁，使磁铁上下振动，磁铁的振动幅度不变若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图所示，观察磁铁的振幅将会发现()AS闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变BS闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变CS闭合或断开，振幅变化相同DS闭合或断开，振幅都不发生变化解析：选A.若S断开，磁铁振动时穿过线圈的磁通量发生变化，但线圈中无感应电流，故振幅不变；若S闭合，有感应电流，有电能产生，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，故选A.4.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，抛物线的方程为yx2，其下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是ya的直线(如图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物线上yb(ba)处以速度v沿抛物线下滑，假设曲面足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是()AmgbB.mv2Cmg(ba) Dmg(ba)mv2解析：选D.金属块在进出磁场过程中要产生感应电流，感应电流转化为内能，机械能要减少，上升的最大高度不断降低，最后刚好滑不出磁场，做往复运动永不停止，根据能量转化与守恒，整个过程中产生的焦耳热应等于机械能的损失，即QEmv2mg(ba)，故D正确课时作业 一、单项选择题1(2018海南华侨中学三亚学校期末)下列做法中可以减小涡流产生的是()A在电动机、变压器的线圈中加入铁芯B电动机、变压器内部铁芯都是由相互绝缘的硅钢片组成C在电磁冶金中，把交变电流改成直流D一些大型用电器采用特制的安全开关解析：选B.在电动机、变压器中的线圈中加入铁芯，是为了增强线圈的磁通量，与涡流无关故A错误；在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象，要损耗能量，不用整块的硅钢铁芯，用相互绝缘的硅钢片叠合而成，其目的是为了减小涡流，故B正确；在电磁冶金中，是利用涡流产生的热量，把交变电流改成直流则不能使用故C错误；一些大型用电器采用特制的安全开关是为了防止断电时由于自感产生的高压，与涡流无关，故D错误2(2018甘肃天水一中月考)电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物下列相关的说法中正确的是()A锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关B电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作C金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物D电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递减少热损耗解析：选A.锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故A正确；直流电不能产生变化的磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能使用直流电，故B错误；锅体只能用铁磁性导体材料，不能使用绝缘材料制作锅体，故C错误；电磁炉的上表面如果用金属材料制成，使用电磁炉时，上表面材料发生电磁感应要损失电能，电磁炉上表面要用绝缘材料制作，故D错误3.甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定轴OO旋转，当给两环以相同的初始角速度开始转动后，由于阻力，经过相同的时间后便停止若将环置于磁感应强度B大小相同的匀强磁场中，甲环的转轴与磁场方向平行，乙环的转轴与磁场方向垂直，如图所示，当甲、乙两环同时以相同的角速度开始转动后，则下列判断正确的是()A甲环先停B乙环先停C两环同时停下D无法判断两环停止的先后解析：选B.由于转动过程中穿过甲环的磁通量不变，穿过乙环的磁通量变化，所以甲环中不产生感应电流，乙环中产生感应电流乙环的机械能不断地转化为电能，最终转化为焦耳热散失掉，所以乙环先停下来4.如图所示，闭合导线环和条形磁铁都可以绕水平的中心轴OO自由转动，开始时磁铁和圆环都静止在竖直平面内若条形磁铁突然绕OO轴，N极向纸里、S极向纸外转动，在此过程中，圆环将()A产生逆时针方向的感应电流，圆环上端向里、下端向外随磁铁转动B产生顺时针方向的感应电流，圆环上端向外、下端向里转动C产生逆时针方向的感应电流，圆环并不转动D产生顺时针方向的感应电流，圆环并不转动解析：选A.磁铁转动时，穿过环向里的磁通量增加，根据楞次定律，环中产生逆时针方向的感应电流，磁铁转动时，为阻碍磁通量的变化，导线环与磁铁同向转动，所以选项A正确5.如图所示，在蹄形磁铁的两极间有一可以自由转动的铜盘(不计各种摩擦)现让铜盘转动，下面对观察到的现象描述及解释正确的是()A铜盘中既没有感应电动势又没有感应电流，铜盘将一直转动下去B铜盘中有感应电动势而没有感应电流，铜盘将一直转动下去C铜盘中既有感应电动势又有感应电流，铜盘将很快停下D铜盘中既有感应电动势又有感应电流，铜盘将越转越快解析：选C.铜盘转动时，根据法拉第电磁感应定律及楞次定律知，盘中有感应电动势，也产生感应电流，并且受到电磁阻尼作用，机械能转化为电能进而转化为焦耳热，铜盘将很快停下，C正确，A、B、D错误6(2018河南永年一中月考)安检门是一个用于安全检査的“门”，“门框”内有线圈，线圈中通有变化的电流如果金属物品通过安检门，金属中会被感应出涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警，关于这个安检门的以下说法正确的是()A安检门能检查出毒贩携带的毒品B安检门能检查出旅客携带的水果刀C如果“门框”的线圈中通上恒定电流，安检门也能正常工作D安检门工作时，主要利用了电流的热效应原理解析：选B.安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品原理是：线圈中交变电流产生交变的磁场，会在金属物品中产生交变的感应电流，而金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流，引起线圈中交变电流发生变化，从而被探测到则安检门不能检查出毒贩携带的毒品，选项A错误；安检门能检查出旅客携带的水果刀，选项B正确；如果“门框”的线圈中通上恒定电流，安检门不能正常工作，选项C错误；安检门工作时，主要利用了电磁感应原理，故D错误7.如图所示，蹄形磁铁的两极之间放置一个线圈abcd，磁铁和线圈都可以绕OO轴转动，当磁铁按图示方向绕OO轴转动时，线圈的运动情况是 ()A俯视，线圈顺时针转动，转速与磁铁相同B俯视，线圈逆时针转动，转速与磁铁相同C线圈与磁铁转动方向相同，但转速小于磁铁的转速D线圈静止不动解析：选C.当磁铁转动时，由楞次定律知，线圈中有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，即感应电流的方向必定是使其受到的力矩的方向与磁铁转动方向相同，以减小磁通量的增加，因而线圈跟着转起来，但转速小于磁铁的转速如果转速相等，线圈中的磁通量不再变化，起“驱动”作用的安培力将消失二、多项选择题8.如图所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜环在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是()AA、B两点在同一水平线上BA点高于B点CA点低于B点D铜环最终将做等幅摆动解析：选BD.铜环在进入和穿出磁场的过程中，穿过环的磁通量发生变化，环中有感应电流产生，将损耗一定的机械能，所以A点高于B点，铜环的摆角会越来越小，最终出不了磁场，而做等幅摆动9(2018陕西西安一中期末)如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是()A1是磁铁，在2中产生涡流B2是磁铁，在1中产生涡流C该装置的作用是使指针能很快地稳定D该装置的作用是使指针能够转动解析：选BC.该装置为电磁阻尼，2是磁铁，1为闭合线框，当1切割磁感线在1中产生涡流，将动能转化成内能，从而使1很快的稳定，故B、C正确，A、D错误10.如图所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑但用不同材料制成的圆管，现将两圆管竖直固定在相同高度，将两个带相同磁性的小球同时从A管和B管上端管口处无初速度释放，穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面下列对于两管的描述中可能正确的是()AA管是用塑料制成的，B管是用铜制成的BA管是用铝制成的，B管是用胶木制成的CA管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的DA管是用胶木制成的，B管是用铝制成的解析：选AD.磁性小球穿过金属圆管过程中，将圆管看做许多金属圆环，小球的磁场使每个圆环中产生感应电流，根据楞次定律可知，小球向下运动的加速度小于重力加速度；小球在非金属材料圆管中不会产生感应电流，小球仍然做自由落体运动由以上分析可知，B管中的小球后落地，说明磁性小球使B管产生了涡流，即B管一定是用金属导体材料制成的故选项A、D正确11.(2018河南驻马店联考)低频电涡流传感器可用来测量自动化生产线上金属板的厚度如图所示，在线圈L1中通以低频交变电流，它周围会产生交变磁场，其正下方有一个与电表连接的线圈L2，金属板置于L1、L2之间线圈L1产生的变化磁场透过金属板，L2中会产生感应电流由于金属板厚度不同，吸收电磁能量强弱不同，导致L2中感应电流的强弱不同则()A金属板吸收电磁能量，是由于穿过金属板的磁场发生变化，板中产生涡流B金属板越厚，涡流越弱CL2中产生的是直流电DL2中产生的是与L1中同频率的交变电流解析：选AD.线圈L1产生的变化磁场使金属板产生涡流，所以A正确；金属板越厚，在变化的磁场作用下产生涡流越强，即B错误；线圈L1产生的是变化磁场，所以L2中产生的是与L1中同频率的交流电，故C错误，D正确12(2018江苏石庄高级中学期末)涡流检测是工业上无损检测的方法之一如图所示，线圈中通以一定频率的正弦交流电，靠近待测工件时，工件内会产生涡流，同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化下列说法中正确的是()A涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化B涡流的频率等于通入线圈的交流电频率C通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力D待测工件可以是塑料或橡胶制品解析：选ABC.根据楞次定律得知：感应电流的磁场